程瑜 安科瑞

摘要：近年來，環(huán)境污染、能源短缺等問題愈加嚴重，大力發(fā)展光伏發(fā)電技術是解決這些問題的一個有效措施。本文對光伏與儲能一體化系統(tǒng)控制技術進一步的研討。

關鍵詞：光儲系統(tǒng)；一體化系統(tǒng)；控制技術；應用

一、儲能技術在光伏發(fā)電系統(tǒng)應用

由于太陽能的不可控性，致使光伏電池的輸出功率無法預測，所以近年來儲能技術在光伏發(fā)電領域得到了廣泛的利用，獨立型光伏發(fā)電系統(tǒng)更是離不開儲能裝置，因此都在大力研究儲能技術，我國也不例外。在發(fā)電系統(tǒng)中，常常存在負載和發(fā)電之間的功率不匹配問題，由于缺乏大規(guī)模發(fā)電系統(tǒng)的平衡機制，這種現(xiàn)象在小規(guī)模的發(fā)電系統(tǒng)中可能更為嚴重，因此儲能裝置需要經(jīng)常被采用。現(xiàn)在為常見的仍舊是蓄電池和超級電容器，這兩種儲能方式的控制技術比較成熟，可靠性也比較高，在實際系統(tǒng)中常常將二者綜合起來使用，用以改善儲能裝置的特性。

二、光儲系統(tǒng)拓撲結構和控制策略

1.光儲系統(tǒng)拓撲結構

光伏發(fā)電指的是通過光生伏應在光伏電池板上將太陽能直接轉變成電能的發(fā)電形式，依據(jù)是否與電網(wǎng)相連分為兩大類，光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)和獨立光伏發(fā)電系統(tǒng)。光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)主要有兩類，類是不帶有儲能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，另一類是帶有儲能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)。不帶有儲能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可控性極差，給負載提供能量完全依靠光伏電池板所處的環(huán)境，但是因為不帶有儲能單元，降低了生產(chǎn)成本以及由此產(chǎn)生的運行和后期維護費用，同時也消除了部分儲能單元對環(huán)境所造成的潛在污染。如圖1是不帶有儲能的光伏發(fā)電系統(tǒng)；

圖2是帶有儲能單元的光伏并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)，這類系統(tǒng)因為存在儲能部分，所以需要單獨的DC-DC電路來給儲能單元進行充放電處理，在一定程度上增加了控制的難度。依據(jù)儲能單元連接的母線類型，這類光伏系統(tǒng)包括直流母線類型和交流母線類型兩種。

2.蓄電池剩余容量檢測

從本質(zhì)上來講，蓄電池是一種化學電池，這就決定了其使用壽命是有限的，為了降低電池系統(tǒng)的維護成本、提高電池的效率和使用壽命，對蓄電池進行相應的監(jiān)控已成為蓄電池應用不可缺少的關鍵技術之一。電池管理系統(tǒng)的作用就是實時監(jiān)測整個電池系統(tǒng)的狀態(tài)，包括電池組的溫度、健康狀態(tài)、剩余容量等要素，同時對電池的充電與放電模式控制，從而實現(xiàn)電池系統(tǒng)的能量管理，其中準確估算蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）是電池管理系統(tǒng)的重要環(huán)節(jié)。蓄電池的荷電狀態(tài)（SOC）可以認為是當下時刻電池可用容量與總的可用容量的比值，其定義式如下，其中Qt代表當前時刻蓄電池剩余的可用容量，QO代表蓄電池總的可用容量。

3.光儲系統(tǒng)整體控制策略的設計

在光儲系統(tǒng)中，光伏電池是系統(tǒng)唯一的能量來源，負載消耗能量，蓄電池的功能是通過能量存儲和釋放以抑制系統(tǒng)功率的波動，在忽略系統(tǒng)的能量損耗時，從能量流動的角度，可以得出光儲系統(tǒng)有以下幾種能量流動的模式：

（1）當光伏電池發(fā)出的能量超出負載消耗的能量時，光伏電池產(chǎn)生的能量一方面流經(jīng)輸出電路來滿足負載功率的要求，另一方面通過向蓄電池充電的方式將超出部分存儲起來。

（2）當光伏電池發(fā)出的能量不能夠滿足負載消耗的能量時，那么負載需求的能量一方面由光伏電池自身發(fā)電提供，另一方面通過蓄電池的放電來彌補不足的部分。

（3）當光伏電池發(fā)出的能量正好等于負載消耗的能量時，光伏電池產(chǎn)生的能量全部提供給負載，此時蓄電池的工作狀態(tài)是不充不放，維持自身的能量不變。

（4）當光伏電池不能夠產(chǎn)生能量時，系統(tǒng)的能量來源只能由蓄電池來充當，滿足負載消耗的能量，當蓄電池也不能滿足負載的功率需求時，整個光儲系統(tǒng)必停止工作。

光伏運維子站解決方案

安科瑞Acrel1000-DP分布式光伏電站電力監(jiān)控系統(tǒng)為分布式光伏電站運維子系統(tǒng)提供了解決方案，滿足GB/T 38946《分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)集中運維技術規(guī)范》中對運維子站的相關技術要求。

圖2 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)顯示

圖3 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)狀態(tài)顯示

圖4 分布式光伏監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)展示

光伏運維主站解決方案

安科瑞AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺適用于分布式光伏電站的運維管理。GB/T 38946《分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)集中運維技術規(guī)范》中對集中運維主站的相關技術要求如下：

圖5 分布式光伏電站場站管理及發(fā)電功率實時監(jiān)控

圖6 日月年發(fā)電數(shù)據(jù)報表及逆變器發(fā)電曲線分析

圖7 遙控操作驗證及操作記錄

圖8 告警分級和異常分析

圖9 巡檢管理及用戶報告

圖10 設備檔案和設備保養(yǎng)管理

圖11 工單管理和缺陷記錄

系統(tǒng)管理宜具備以下功能:

a)權限設置:登錄權限?場站權限?功能權限?數(shù)據(jù)權限;

b)在線用戶管理:用戶登錄?操作記錄;

c)時間同步:宜采用簡單網(wǎng)絡時間協(xié)議(SNTP)對時方式,并以此同步各子站;

d)Web功能:主站宜具備相關數(shù)據(jù)的信息發(fā)布?瀏覽和下載等Web功能?

圖12 用戶權限配置及用戶狀態(tài)監(jiān)測

光伏發(fā)電功率預測

運維主站可根據(jù)當日光照和溫濕度數(shù)據(jù)預測光伏電站發(fā)電功率數(shù)據(jù)進行對照，用于驗證光伏電站發(fā)電效率。

圖13 光伏運維主站、子站發(fā)電功率預測功能

圖14 箱變測控系統(tǒng)圖

通過AcrelEMS可實時監(jiān)控箱變變壓器和高低壓柜電氣參數(shù)、溫度、箱變內(nèi)濕度等數(shù)據(jù)，在數(shù)據(jù)超過正常閾值或發(fā)生異常變位時可及時發(fā)出告警信號。

圖15 變壓器及箱變環(huán)境監(jiān)測

光伏運維相關二次設備選型

安科瑞提供光伏運維子站、運維主站監(jiān)測軟件、數(shù)據(jù)網(wǎng)關和保護測控單元、交直流監(jiān)測多功能儀表及相關傳感器，具備電能質(zhì)量監(jiān)測和治理裝置，保障光伏電站高效運行。

系統(tǒng)構成

根據(jù)NB/T 42091《電化學儲能電站監(jiān)控系統(tǒng)技術規(guī)范》，儲能監(jiān)控系統(tǒng)宜采用星型網(wǎng)絡，功率小于1MW且容量小于1MWh的電化學儲能監(jiān)控系統(tǒng)宜采用單網(wǎng)配置，如圖16。

圖16 電化學儲能系統(tǒng)單網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

功率為1MW及以上且容量為1MWh及以上的電化學儲能監(jiān)控系統(tǒng)宜采用雙網(wǎng)配冗余置，如圖17。

圖17 電化學儲能系統(tǒng)雙網(wǎng)監(jiān)控系統(tǒng)網(wǎng)絡結構圖

監(jiān)測設備包括BMS、PCS、保護測控設備、其他設備(電能計量、絕緣監(jiān)測、消防、空調(diào)、站用直流屏等)。

Acrel-2000MG儲能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)和AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺能夠對企業(yè)微電網(wǎng)的源（市電、分布式光伏、微型風機）、網(wǎng)（企業(yè)內(nèi)部配電網(wǎng)）、荷（固定負荷和可調(diào)負荷）、儲能系統(tǒng)、新能源汽車充電負荷進行實時監(jiān)測和優(yōu)化控制，保護微電網(wǎng)儲能系統(tǒng)運行安全，實現(xiàn)不同目標下源網(wǎng)荷儲資源之間的靈活互動，增加多策略控制下系統(tǒng)的穩(wěn)定運行。同時促進新能源消納、合理削峰填谷，減少電網(wǎng)建設投資，提升微電網(wǎng)運行安全，降低運行成本。Acrel-2000MG儲能系統(tǒng)能量管理系統(tǒng)適合部署在本地，作為實時監(jiān)控、異常告警和策略管理；AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺適用于企業(yè)源網(wǎng)荷儲充運維的一體化管理平臺，并提供移動端數(shù)據(jù)服務和異常告警。

數(shù)據(jù)采集和處理

監(jiān)控系統(tǒng)應能通過測控單元及功率變換系統(tǒng)、電池管理系統(tǒng)進行實時信息的采集和處理。監(jiān)控系統(tǒng)應設置通信接口與電池管理系統(tǒng)連接，接收和處理的信息宜包括但不限于：

a）電池模塊的電壓、溫度、電池能量；

b）電池簇的電流、電壓、功率、電池能量、可充可放電量、累積充放電電量，以及*高、*低

單體電壓及其電池編號：

c）電池堆可充可放電量、累積充放電電量；

d）各種故障告警和保護動作信號；

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS電池數(shù)據(jù)采集

功率變換系統(tǒng)(PCS)上送信息宜包括但不限于：

a）開關量信息：直流側與交流側接觸器、斷路器的狀態(tài)；運行模式（并網(wǎng)、離網(wǎng)）、運行狀態(tài)

（充電、放電、待機等）、就地操作把手的狀態(tài)等：

b）模擬量信息：直流側電壓、電流、功率，交流側三相電壓、電流、有功、無功；

c）非電量信息：IGBT模塊溫度、電抗器溫度、隔離變溫度等；

d）運行信息：功率變換系統(tǒng)保護動作信號、事故告警信號等。

圖18 Acrel-2000MG和AcrelEMS 功率變換系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

監(jiān)視和報警

監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)視功能應符合但不限于下列要求：

a）應能通過顯示器對主要電氣設備運行參數(shù)和設備狀態(tài)進行監(jiān)視；

b）應能監(jiān)視并實時顯示各設備的通信狀態(tài)和通信報文；

c）電池管理系統(tǒng)、功率變換系統(tǒng)上傳監(jiān)控系統(tǒng)的遙測量和告警量須有專門的界面顯示和告警

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 監(jiān)視和報警分級

控制與調(diào)節(jié)

控制范圍：站內(nèi)交流回路斷路器、功率變換系統(tǒng)及其他相關重要設備，包括功率變換系統(tǒng)啟/停、運行/檢修狀態(tài)切換、并網(wǎng)充/放電、離網(wǎng)放電、保護軟壓板投切等。監(jiān)控系統(tǒng)根據(jù)功能定位支持下列應用模式：削峰填谷、孤網(wǎng)運行、系統(tǒng)調(diào)頻、電壓支撐、電能質(zhì)量治理、平滑功率輸出、跟蹤計劃出力。

圖19 Acrel-2000MG和AcrelEMS 儲能系統(tǒng)監(jiān)控

電能質(zhì)量監(jiān)測

監(jiān)測儲能系統(tǒng)交流回路的電壓波動與閃變、三相電壓不平衡、電壓暫升/暫降、短時中斷、諧波畸變等工況，實時記錄事件并故障錄波，為電能質(zhì)量分析與治理提供數(shù)據(jù)來源。

圖20 Acrel-2000MG和AcrelEMS 電能質(zhì)量分析

企業(yè)微電網(wǎng)能效管理

AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺除了對儲能系統(tǒng)提供監(jiān)控報警之外，還適用于企業(yè)內(nèi)部的源網(wǎng)荷儲充運維的一體化管理平臺，為企業(yè)微電網(wǎng)能效管理提供全方位的監(jiān)測、優(yōu)化控制、設備管理、運維管理、分析報告等，并提供基于WEB和APP的數(shù)據(jù)服務和異常告警。

平臺可根據(jù)企業(yè)光伏發(fā)電數(shù)據(jù)、儲能控制策略以及負荷波動情況為企業(yè)提供微電網(wǎng)運行數(shù)據(jù)，制定用電優(yōu)化方案，在提高企業(yè)微電網(wǎng)運行安全的前提下幫助企業(yè)降低用電成本，促進清潔能源消納。

圖21 AcrelEMS企業(yè)微電網(wǎng)能效管理平臺

電化學儲能電站監(jiān)控運維管理系統(tǒng)二次設備選型

安科瑞提供電化學儲能電站監(jiān)控運維管理軟件、數(shù)據(jù)網(wǎng)關和保護測控單元、多功能儀表及相關傳感器，具備電能質(zhì)量監(jiān)測和治理裝置，保障儲能電站及企業(yè)微電網(wǎng)高效運行。

表3 儲能電站監(jiān)控運維管理系統(tǒng)選型方案

結束語

在雙碳目標以及電網(wǎng)運行安全要求驅動下，光伏發(fā)電以及配套儲能系統(tǒng)未來將會得到越來越多的政策支持，可以想象未來也會有越來越多的資本投入促使行業(yè)迅速發(fā)展，從而提高電網(wǎng)運行安全，提升電能使用效率。但是微電網(wǎng)系統(tǒng)，特別是光伏電站和儲能電站的運行安全不容忽視，需要嚴格按照標準，建立光伏和儲能監(jiān)測運維管理系統(tǒng)對光伏電站和儲能系統(tǒng)進行監(jiān)視、預警、控制和運維管理，保障安全生產(chǎn)。

未來新型電力系統(tǒng)中，企業(yè)光儲充微電網(wǎng)內(nèi)部以及企業(yè)微電網(wǎng)和大電網(wǎng)的互動也會越來越頻繁，這需要一套統(tǒng)一平臺來對企業(yè)的“源-網(wǎng)-荷-儲-充”及運維進行統(tǒng)一監(jiān)測和管理，這樣才能保障企業(yè)微電網(wǎng)高效運行，從而促進新型電力系統(tǒng)邁向穩(wěn)定、可靠、低碳的良性循環(huán)。

審核編輯 黃宇